(57)【要約】 【課題】  酸化剤電極で生成した水によるフラッディングを防ぎ、長期に渡って安定して高効率な発電性能が得られる固体高分子電解質型燃料電池を得る。【解決手段】  固体高分子電解質膜２の一方の面に燃料極３、他方の面に酸化剤極４を有する膜電極接合体５と、膜電極接合体５の燃料極側３の面に配置された燃料極側ガス拡散層６と、膜電極接合体５の酸化剤極側４の面に配置され、表面に溝１１が形成されたカーボン繊維１０を有する酸化剤極側ガス拡散層９と、燃料極側ガス拡散層６の外側に配置された燃料極側セパレータ８と、酸化剤極側ガス拡散層７の外側に配置された酸化剤極側セパレータ９と、を備える単位セル１により構成する。【選択図】  図１
2006004709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に酸化剤極を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の燃料極側の面に配置された燃料極側ガス拡散層と、
前記膜電極接合体の酸化剤極側の面に配置され、表面に溝が形成されたカーボン繊維を有する酸化剤極側ガス拡散層と、
前記燃料極側ガス拡散層の外側に配置された燃料極側セパレータと、
前記酸化剤極側ガス拡散層の外側に配置された酸化剤極側セパレータと、
を備えたことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記酸化剤極側ガス拡散層において、前記溝の容積を、前記酸化剤極側から前記酸化剤極側セパレータにむかって増加させたことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記酸化剤極側ガス拡散層において、前記溝が形成されたカーボン繊維の割合を、前記膜酸化剤極側から前記酸化剤極側セパレータにむかって増加させたことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記酸化剤極と前記酸化剤極側ガス拡散層との間に、カーボン粒子層を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記カーボン粒子層は、撥水処理が施されていることを特徴とする請求項４に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】
固体高分子電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に酸化剤極を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の燃料極側の面に配置された燃料極側ガス拡散層と、
前記膜電極接合体の酸化剤極側の面に配置され、カーボン繊維を束ねた糸を有する酸化剤極側ガス拡散層と、
前記燃料極側ガス拡散層の外側に配置された燃料極側セパレータと、
前記酸化剤極側ガス拡散層の外側に配置された酸化剤極側セパレータと、
を備えたことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応ガスである水素含有ガス等の燃料ガスと、空気等の酸素含有ガスとを電気化学的に反応させて、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する装置である。このように、燃料電池は化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できるため、発電効率は火力発電などの他の発電システムに比べて高く、高効率の発電装置である。加えて、発電に伴う排気ガスが生じない等の利点を有するため、低公害または無公害の発電装置として、燃料電池は地球環境保護の観点からも注目されている。このように、現代社会のエネルギー問題や公害問題に対処できる「ポスト原子力」、「ポスト内燃機関」の発電装置として燃料電池は位置づけられており、その開発および実用化には大きな期待が寄せられている。そして、家庭用オンサイト発電装置、携帯型小型発電装置および宇宙船搭載型発電装置等すでに実用化されている分野もある。
【０００３】
自動車業界においても同様に、内燃機関に代えて作動するモーター用の電源として燃料電池を利用する気運が急速に高まっており、燃料電池を利用した自動車の開発が進行している。自動車搭載用の燃料電池としては、特に小型で高出力な発電特性であることが必須の条件であるため、各種の燃料電池の中でもイオン交換膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池が注目されている。
【０００４】
この固体高分子電解質型燃料電池は、分子中にプロトン（水素イオン）交換基を有する固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化剤極で挟持した膜電極接合体の外面にそれぞれガス拡散層を配置し、さらにその外面にそれぞれ燃料極側セパレータと酸化剤極側セパレータとを配置した単位セル（単セル）を多数積層して構成する。ガス拡散層は、ガス拡散と電気伝導体としての役割を持つカーボン繊維により構成されたカーボンペーパやカーボン不織布から形成されている。各セパレータは、それぞれガス流路と冷却水流路とを備えている。
【０００５】
固体高分子電解質型燃料電池では、次式で示される反応が進行する。
【０００６】
（化１）
燃料極：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-                ・・・式（１）
酸化剤極：(１／２)Ｏ2＋２Ｈ+ ＋ ２ｅ-→Ｈ2Ｏ＋Ｑ（反応熱）  ・・・式（２）
電池全体：Ｈ2 ＋(１／２)Ｏ2→Ｈ2Ｏ＋Ｑ（反応熱）  ・・・式（３）
燃料極では、水素を含有する燃料ガスが供給されて式（１）の反応が進行し、プロトンが発生する。プロトンは固体高分子電解質膜中に含まれる水分により、水和状態となって固体高分子電解質膜中のプロトン交換基を伝導して酸化剤極に移動する。酸化剤極では、移動したプロトンが酸化剤極に供給された酸化ガス中の酸素と反応して式（２）の反応が進行し、水が生成する。この際に、燃料極で生成した電子が外部回路を介して酸化剤極へ移動することにより起電力が得られ、外部負荷に対して電気的仕事がなされる。
【０００７】
ここで、固体高分子電解質膜中のプロトン交換基は、飽和に含水させることにより比抵抗が小さくなり、プロトン導電性電解質として機能する。そして、プロトンは水和状態で固体高分子電解質膜を透過するため、固体高分子電解質膜が適度な湿潤状態にあれば良好な電気伝導性を発揮する。しかし、水分量が低下するとイオン導電性が低下して電解質として機能しなくなるため、場合によっては電極反応を停止させてしまう現象が起こる。このため、固体高分子電解質型燃料電池の発電性能を高く維持するためには、固体高分子電解質膜の含水状態を飽和に維持することが必要である。そして、通常、加湿装置等を用いて反応ガスの湿度を高めてから反応ガスを単位セルに供給することにより、固体高分子電解質膜の含水状態を維持する方法が採用されている。
【０００８】
しかしながら、固体高分子電解質型燃料電池では、上記式（２）に示すように、発電に際して酸化剤電極側で水が生成される。この生成水は酸化剤ガスと共に単位セル内で下流の方へと送られる。その結果、加湿用の水に加えてさらに発電による生成水が加わるため、単位セル内下流部では水分量が多量となり、反応ガス中の水素や酸素が消費された残りのガスが保持できる水分量を超えた過飽和となるため水蒸気の凝集により水滴が生じる。そして、この水滴がガス拡散層中の空孔を埋めるため、ガス拡散層における酸化剤ガスの拡散が妨げられ、燃料電池の発電性能が下がるフラッティングという現象が起こる。また、下流での水分量を減らすために酸化剤ガスの加湿量を減らした場合であっても、発電効率を高め、酸化剤ガスの利用率を高くすると生成水が増大し、フラッティングが起こる。しかし、供給する酸化剤ガスの加湿量を減らしすぎると、固体高分子電解質膜が乾燥気味となるため、結果として発電性能の低下をもたらすおそれがある。このため、フラッティングを防ぐためには、酸化剤ガスの加湿量を減らさずに、凝集により生成する水を排出させる必要がある。
【０００９】
そこで、例えば、ガス拡散層の表面に撥水性の膜を形成させる方法が提案されている（特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２０００−２３９７０４号公報（第２頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、ガス拡散層の表面に撥水処理を施すと、撥水処理剤によってガス拡散層の導電性が低下する場合がある。また、撥水処理剤がガス拡散層中の空孔を埋めるため、かえってガスの拡散性が低下する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に酸化剤極を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の燃料極側の面に配置された燃料極側ガス拡散層と、膜電極接合体の酸化剤極側の面に配置され、表面に溝が形成されたカーボン繊維を有する酸化剤極側ガス拡散層と、燃料極側ガス拡散層の外側に配置された燃料極側セパレータと、酸化剤極側ガス拡散層の外側に配置された酸化剤極側セパレータと、を備えたことを要旨とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、酸化剤電極で生成した水はカーボン繊維の毛細管現象によって吸水され、酸化剤極側セパレータ側へ移動して酸化剤ガス中に気化・拡散される。このため、フラッディングを防ぎ、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図７を用いて説明する。
【実施例１】
【００１４】
以下、図１〜３を用いて実施例１について説明する。
【００１５】
図１（ａ）は、本発明の実施例１に係る固体高分子電解質型燃料電池を構成する単位セルを示す断面図である。図１（ｂ）は、酸化剤極側ガス拡散層を模式的に示す斜視図である。図１（ｃ）は、図１（ｂ）のIｃ部を模式的に示す説明図である。図１（ｄ）は、カーボン繊維を模式的に示す説明図である。図１（ｅ）は、図１（ｄ）のIｄ-Iｄ線に沿って切断した断面図である。
【００１６】
図１（ａ）に示すように、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池を構成する単位セル１は、固体高分子電解質膜２の一方の面に燃料極３、他方の面に酸化剤極４を有する膜電極接合体５と、この膜電極接合体５の燃料極３側の面に配置された燃料極側ガス拡散層６と、膜電極接合体５の酸化剤極４側の面に配置された酸化剤極側ガス拡散層７と、燃料極側ガス拡散層６の外側に配置された燃料極側セパレータ８と、酸化剤極側ガス拡散層７の外側に配置された酸化剤極側セパレータ９とを有している。この単位セル１は複数個積層されて固体高分子電解質型燃料電池を構成する。
【００１７】
単位セル１に用いる固体高分子電解質膜２としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜（商品名；ナフィオン１１２８（登録商標）,デュポン株式会社）などを使用することができる。そして、固体高分子電解質膜２の一方の面に燃料極３、他方の面に酸化剤極４として白金触媒担持カーボンの触媒層がそれぞれ接合されて膜電極接合体５が形成されている。膜電極接合体５の厚さは約０．２[ｍｍ]であり、燃料極３及び酸化剤極４の厚さはそれぞれ約１０[μｍ]、燃料極３及び酸化剤極４中に含まれる白金触媒は約０．１〜０．５[ｇ／ｃｍ２]である。
【００１８】
燃料極３及び酸化剤極４の外側には、燃料極側ガス拡散層６と酸化剤極側ガス拡散層７がそれぞれ配置されている。燃料極側ガス拡散層６と酸化剤極側ガス拡散層７は、カーボン繊維を用いて形成されており、カーボンクロス、カーボンペーパ等と呼ばれている多孔質炭素膜である。この多孔質炭素膜は、直径１０〜５０[μｍ]程度の空孔を有しており、それぞれ反応ガス（水素を含有する燃料ガス、及び酸素を含有する酸化剤ガス。）の拡散を最適化し、触媒層との接触を容易にする。また、燃料極３ではプロトンの移動に必要な水分の補給を、酸化剤極４では生成した水の除去をコントロールする役割も果たす。
【００１９】
燃料極側ガス拡散層６と酸化剤極側ガス拡散層７の外側には、それぞれ燃料極側セパレータ８及び酸化剤極側セパレータ９が設置されている。各セパレータ８、９は、プレート状に成形したカーボンや金属の表面にガス流路及び冷却水流路が形成されており、反応ガスの供給を行う。また、燃料極側セパレータ８では水分の補給通路として、酸化剤極側セパレータ９では生成した水の除去通路としても機能し、さらには、外部回路に電流を流す役割も果たす。
【００２０】
そして、図１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、酸化剤極側ガス拡散層７では、カーボン繊維１０が互いに絡み合っている。このカーボン繊維１０には、図１（ｄ）及び（ｅ）に示すように、表面に溝１１が形成されている。
【００２１】
このような酸化剤極側ガス拡散層７は、例えば図２に示す工程により製造される。図２は、ガス拡散層の製造方法の概略的な工程を説明する工程フロー図である。まず、有機ヒドロぺルオキシド、レドックス系開始剤等を用いて乳化剤重合法によりアクリロニトリルモノマーを重合してポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を合成する（工程２０）。次に、ＰＡＮを押し出し口金より射出し、製糸してアクリル繊維化する（工程２１）。この際に、口金の形状を適宜選出し、アクリル繊維に所望の溝を形成する。次に、溝を形成したアクリル繊維を製品基材に編み込んだ後（工程２２）、酸素を吹き込みながら２００〜３００[℃]の高温炉に通して耐炎化処理を施す（工程２３）。この工程により、アクリル繊維を耐熱、耐火性に富んだ安定繊維に変化させる。その後、不活性雰囲気中１０００〜１５００[℃]の高温でさらに熱して炭素化処理を施すことによりカーボン繊維化する（工程２４）。さらに表面処理等を施し、ガス拡散層とする（工程２５）。
【００２２】
次に、上記構成による単位セル１における水の移動について説明する。
【００２３】
図１（ａ）に示す単位セル１の燃料ガス流路内を燃料ガスが通過し、酸化剤ガス流路内を酸化剤ガスが通過する。このとき、燃料極３では、上記した式（１）の反応が進行し、プロトンが生成する。プロトンは水和状態で固体高分子電解質膜２を移動して酸化剤極４に至る。酸化剤極４では、燃料極３から移動したプロトンが酸化剤極４に供給された酸化剤ガス中の酸素と反応して上記した式（２）の反応が進行して水が生成する。
【００２４】
そして、酸化剤極４で生成された水は、酸化剤極側ガス拡散層７のカーボン繊維１０の表面上に形成された溝１１中を毛細管現象により吸い出され、より湿度環境の低い酸化剤極側セパレータ９側へ移動する。図３に、カーボン繊維１０の溝１１を水が伝わる様子を示す。カーボン繊維１０は酸化剤極側ガス拡散層７において互いに絡み合っているため、一本のカーボン繊維の溝から他のカーボン繊維の溝へと水が移動する。さらに、水は酸化剤極側セパレータ９側へ移動し、最終的には酸化剤ガス中に気化・拡散されていく。この気化・拡散現象がドライビングフォースとなり、連続的に酸化剤極４の生成水の吸水・気化・拡散が進行する。
【００２５】
このようにして、酸化剤極４で生成し、過剰となった水分がカーボン繊維毛細管現象により吸水・気化・拡散するため、酸化剤極４における水の滞留が防止される。そして、酸化剤ガスの拡散性を犠牲にすることなく酸化剤極側ガス拡散層７中での水の水滴化を防ぎ、酸化剤極４から酸化剤極側ガス拡散層７を含めた領域においてフラッディングを防ぐことができる。そして、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることが可能となる。
【００２６】
このように、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池によれば、固体高分子電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に酸化剤極を有する膜電極接合体と、この膜電極接合体の燃料極側の面に配置された燃料極側ガス拡散層と、膜電極接合体の酸化剤極側の面に配置され、表面に溝が形成されたカーボン繊維を有する酸化剤極側ガス拡散層と、燃料極側ガス拡散層の外側に配置された燃料極側セパレータと、酸化剤極側ガス拡散層の外側に配置された酸化剤極側セパレータと、を備えたことにより、酸化剤電極で生成した水はカーボン繊維の毛細管現象によって吸水され、酸化剤極側セパレータ側へ移動して酸化剤ガス中に気化・拡散されるため、ガス拡散層の表面に撥水処理を施さなくてもフラッディングを防ぎ、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることが可能となる。
【００２７】
なお、全てのカーボン繊維に溝を設ける必要はなく、溝が形成されたカーボン繊維と、溝のないカーボン繊維が混合されていても良い。また、溝の形状、本数は特に制限がなく、吸水に必要な溝容積を確保できるのであれば溝は何本形成されていても良い。
【実施例２】
【００２８】
次に、図４を用いて実施例２について説明する。
【００２９】
図４（ａ）は、本発明の実施例２に係る固体高分子電解質型燃料電池の酸化剤極側ガス拡散層を模式的に示す斜視図である。図４（ｂ）は、一溝カーボン繊維を示す説明図である。図４（ｃ）は、二溝カーボン繊維を示す説明図である。図４（ｄ）は、三溝カーボン繊維を示す説明図である。この実施例における固体高分子電解質型燃料電池では、酸化剤極側ガス拡散層を形成するカーボン繊維の溝の容積を、酸化剤極側から酸化剤極側セパレータにむかって増加させた点において実施例１とは異なっている。
【００３０】
図４（ａ）に示すように、実施例２における酸化剤極側ガス拡散層２７は、膜電極接合体の酸化剤極側から酸化剤極側セパレータ側に向かって、図４（ｂ）に示す一溝カーボン繊維３０Ａを有する一溝層２７ａ、図４（ｃ）に示す二溝カーボン繊維３０Ｂを有する二溝層２７ｂ、及び図４（ｄ）に示す三溝カーボン繊維３０Ｃを有する三溝層２７ｃの三層から構成されている。図４（ｂ）に示すように、一溝カーボン繊維３０Ａには溝３１Ａが一本形成されている。また、図４（ｃ）に示すように、二溝カーボン繊維３０Ｂには溝３１Ｂが二本形成されている。さらに、図４（ｄ）に示すように、三溝カーボン繊維３０Ｃには溝３１Ｃが三本形成されている。各溝は、実施例１で説明したように、ＰＡＮを製糸してアクリル繊維化する際の口金の形状により、溝の本数が決められる。
【００３１】
このように、実施例２における酸化剤極側ガス拡散層２７では、酸化剤極側から酸化剤極側セパレータ側に向かって酸化剤極側ガス拡散層２７中のカーボン繊維の溝の容積が増加するように、溝本数の異なったカーボン繊維を混合した後、複層させて構成している。このため、実施例２における酸化剤極側ガス拡散層２７では、酸化剤極側から酸化剤極側セパレータ側に向かって、段階的にカーボン繊維の溝による水を吸い上げる機能が高くなるようになっている。このため、一溝層２７ａで吸い上げられた水は、二溝層２７ｂ、三溝層２７ｃと、湿度環境がより低い方に向かって次々と移動し、生成水の気化・拡散が促進される。このようにして、酸化剤極で生成し、過剰となった水分が毛細管現象により吸水・気化・拡散するため、酸化剤極における水の滞留が防止される。そして、酸化剤ガスの拡散性を犠牲にすることなく酸化剤極側ガス拡散層２７中での水の水滴化を防ぎ、酸化剤極から酸化剤極側ガス拡散層を含めた領域においてフラッディング防止性能をより向上させることができ、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることができる。
【００３２】
以上により、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池によれば、酸化剤極側ガス拡散層において、溝の容積を、酸化剤極側から酸化剤極側セパレータにむかって増加させた構成を採用したことにより、酸化剤電極の生成水の吸水量が増加し、酸化剤電極からガス拡散層を含めた領域でのフラッディング防止性能をより向上させることができ、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることができる。
【００３３】
なお、全てのカーボン繊維に溝を設ける必要はなく、溝が形成されたカーボン繊維と、溝のないカーボン繊維が混合されていても良い。また、溝の形状、本数は特に制限がなく、吸水に必要な溝容積を確保できるのであれば溝は何本形成されていても良い。さらに、酸化剤極側ガス拡散層は溝形状の異なるカーボン繊維を有する三層から構成されている必要はなく、段階的に溝の容積が増加するのであれば層の数は限定されない。
【実施例３】
【００３４】
次に、図５を用いて実施例３について説明する。
【００３５】
図５（ａ）は、本発明の実施例３に係る固体高分子電解質型燃料電池の酸化剤極側ガス拡散層を模式的に示す斜視図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のVb部を模式的に示す断面図である。この実施例における固体高分子電解質型燃料電池では、酸化剤極側ガス拡散層を形成する溝が形成されたカーボン繊維の割合を、酸化剤極側から酸化剤極側セパレータにむかって増加させた点において実施例１とは異なっている。
【００３６】
図５（ａ）に示すように、実施例３における酸化剤極側ガス拡散層３７は、膜電極接合体の酸化剤極側から酸化剤極側セパレータ側に向かって、図５（ｂ）に模式的に示すように、実線で表す溝が形成されていないカーボン繊維４０Ａの割合が高い層３７ａ、溝が形成されていないカーボン繊維４０Ａと破線で表す溝が形成されているカーボン繊維４０Ｂが同程度の割合で含まれている層３７ｂ、及び溝が形成されているカーボン繊維４０Ｂの割合が高い層３７ｃの三層から構成されている。なお、各層において、溝が形成されていないカーボン繊維４０Ａと、溝が形成されているカーボン繊維４０Ｂの総本数は同じである。
【００３７】
このように、実施例３における酸化剤極側ガス拡散層３７では、酸化剤極側から酸化剤極側セパレータ側に向かって酸化剤極側ガス拡散層３７中の溝が形成されたカーボン繊維の割合を増加させた点カーボン繊維の溝の容積が増加するように、溝が形成されていないカーボン繊維４０Ａと、溝が形成されているカーボン繊維４０Ｂの混合比を変えて各カーボン繊維を混合した後、複層させて構成している。このため、実施例３における酸化剤極側ガス拡散層３７では、実施例２と同様に酸化剤極側から酸化剤極側セパレータ側に向かって、段階的にカーボン繊維の溝による水を吸い上げる機能が高くなるようになっている。このため、層３７ａで吸い上げられた水は、層３７ｂ、層３７ｃと、湿度環境がより低い方に向かって次々と移動し、生成水の気化・拡散が促進される。このようにして、酸化剤極で生成し、過剰となった水分がカーボン繊維の毛細管現象により吸水・気化・拡散するため、酸化剤極における水の滞留が防止される。そして、酸化剤ガスの拡散性を犠牲にすることなく酸化剤極側ガス拡散層３７中での水の水滴化を防ぎ、酸化剤極から酸化剤極側ガス拡散層を含めた領域においてフラッディング防止性能をより向上させることができ、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることができる。また、少なくとも、溝が形成されていないカーボン繊維と、溝が形成されているカーボン繊維の２種類のカーボン繊維を用いることにより実施例２と同様の効果が得られるため、ガス拡散層の製造が容易である。
【００３８】
以上により、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池によれば、酸化剤極側ガス拡散層において、溝が形成されたカーボン繊維の割合を、酸化剤極側から酸化剤極側セパレータにむかって増加させた構成を採用したことにより、酸化剤電極の生成水の吸水量が増加し、酸化剤電極からガス拡散層を含めた領域でのフラッディング防止性能をより向上させることができ、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることができる。
【００３９】
なお、カーボン繊維に形成する溝の本数は特に制限がなく、吸水に必要な溝容積を確保できるのであれば溝は何本形成されていても良い。また、酸化剤極側ガス拡散層は、溝が形成されていないカーボン繊維と、溝が形成されているカーボン繊維の２種類の混合比の異なる三層から構成されている必要はなく、段階的に溝の容積が増加するのであれば層の数は限定されない。
【実施例４】
【００４０】
次に、図６を用いて実施例４について説明する。
【００４１】
図６（ａ）は、本発明の実施例４に係る固体高分子電解質型燃料電池を構成する単位セルを示す断面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のVIｂ部を模式的に示す説明図である。
【００４２】
図６（ａ）に示すように、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池を構成する単位セル４１は、固体高分子電解質膜４２の一方の面に燃料極４３、他方の面に酸化剤極４４を有する膜電極接合体４５と、この膜電極接合体４５の燃料極４３側の面に配置された燃料極側ガス拡散層４６と、膜電極接合体４５の酸化剤極４４側の面に配置された酸化剤極側ガス拡散層４７と、燃料極側ガス拡散層４６の外側に配置された燃料極側セパレータ４８と、酸化剤極側ガス拡散層４７の外側に配置された酸化剤極側セパレータ４９とを有している。この単位セル４１は複数個積層されて固体高分子電解質型燃料電池を構成する。そして、燃料極４３と燃料極側ガス拡散層４６との間にカーボン粒子層４６ａを備え、酸化剤極４４と酸化剤極側ガス拡散層４７との間に、カーボン粒子層４７ａを備えた点において実施例１とは異なっている。
【００４３】
図６（ｂ）に示すように、カーボン粒子層４７ａは、酸化剤極４４とカーボン繊維５０を有する酸化剤極側ガス拡散層４７との間に配置されており、直径が約５０[ｎｍ]の空孔５２と、１次粒子径が０．１〜１．０[μｍ]カーボン粒子５３を有している。なお、燃料極４３と燃料極側ガス拡散層４６との間にカーボン粒子層４６ａも同様の構成である。これらのカーボン粒子層４６ａ、４７ａは、カーボン粒子のペーストを作製し、ガス拡散層に塗布後、乾燥および焼成処理を行うことにより形成する。
【００４４】
カーボン粒子層４７ａは、酸化剤極側ガス拡散層４７中の空孔より微小な空孔５２を有しているため、酸化剤極側ガス拡散層４７中のカーボン繊維５０の溝と同様に毛細管現象を誘発する。また、ガス拡散層中の表面は、カーボン繊維や空孔により微少な凹凸が形成されているが、酸化剤極側ガス拡散層４７と酸化剤極４４との間にカーボン粒子層４７ａを形成することにより、酸化剤極側ガス拡散層４７のカーボン繊維５０とカーボン粒子５３が接触面積が増えるため導電性が向上する。また、さらに、カーボン繊維の断面形状を容易に変更できるため、ガス拡散性を最適化する際の対応が容易で、製造方法も容易である。
【００４５】
なお、カーボン粒子層は、撥水処理が施されていることがより好ましい。この場合には、カーボン粒子層は、カーボン粒子と、撥水剤としてＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を２０〜５０[ｗｔ％]含有混合させたペーストを作製し、ガス拡散層に塗布後、乾燥および焼成処理を行うことにより形成する。
【００４６】
カーボン粒子層に撥水処理が施されている場合には、カーボン粒子層中に撥水処理が施された空孔部を設けることができる。このため、ガスの通気部を増やすことができるため、さらにフラッディング防止性能を向上させることができ、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることができる。また、ガス拡散層の表面に直接撥水処理を施すのではなく、カーボン粒子層に撥水処理を施しているため、撥水処理剤によってガス拡散層の導電性やガスの拡散性が低下することがない。
【００４７】
以上により、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池によれば、酸化剤極と酸化剤極側ガス拡散層との間に、カーボン粒子層を備え、さらには、カーボン粒子層には撥水処理が施されていることにより、酸化剤極で生成された水の酸化剤極側ガス拡散層への拡散を促進するため、良好な生成水の排水特性が得られフラッディング防止性能をより向上させることができると共に、導電性が向上する。このため、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることができる。
【００４８】
なお、図６では燃料極４３と燃料極側ガス拡散層４６との間にも酸化剤極側と同様にカーボン粒子層４６ａが配置されているが、必ずしもカーボン粒子層を配置する必要はない。
【実施例５】
【００４９】
次に、図７を用いて実施例５について説明する。
【００５０】
図７（ａ）は、本発明の実施例５に係る固体高分子電解質型燃料電池の酸化剤極側ガス拡散層中のカーボン繊維を束ねた糸を模式的に示す説明図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）ののVIIb-VIIb線に沿って切断した断面図である。
【００５１】
本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池を構成する酸化剤極側ガス拡散層は、図７（ａ）に示す糸６０を有する。この糸６０は、複数本の微小径のカーボン繊維６１を束ねることにより形成されており、図７（ｂ）に示すようにカーボン繊維６１とカーボン繊維６１の間に空隙６２を有する。また、糸６０の外面には、上記実施例で示したカーボン繊維の溝と同様の機能を有する溝６３が形成される。そして、他の実施例と同様に酸化剤極側ガス拡散層を構成し、互いに絡み合っている。なお、糸６０は、ＰＡＮを押し出し口金より射出し、アクリル繊維化する際に複数を溶着または製糸化することにより形成される。
【００５２】
このように、実施例５におけるカーボン繊維では、複数本の微小径のカーボン繊維６１を束ねて形成された空隙６２及び溝６３により、実施例１〜実施例４に示した溝を有するカーボン繊維と同様の排水性能を得る。このため、溝を有するカーボン繊維と同じ機能を有するカーボン繊維の製造が容易となり、酸化剤極側ガス拡散層の製造が容易となる。
【００５３】
以上により、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池によれば、固体高分子電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に酸化剤極を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の燃料極側の面に配置された燃料極側ガス拡散層と、膜電極接合体の酸化剤極側の面に配置され、カーボン繊維を束ねた糸を有する酸化剤極側ガス拡散層と、燃料極側ガス拡散層の外側に配置された燃料極側セパレータと、酸化剤極側ガス拡散層の外側に配置された酸化剤極側セパレータと、を備えたことにより、酸化剤電極で生成した水は糸の毛細管現象によって吸水され、酸化剤極側セパレータ側へ移動して酸化剤ガス中に気化・拡散されるため、ガス拡散層の表面に撥水処理を施さなくてもフラッディングを防ぎ、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることが可能となる。
【００５４】
なお、全てのカーボン繊維が束ねられて糸を形成している必要はなく、束ねられたカーボン繊維と、束ねられていないカーボン繊維が混合されていても良い。この場合には、吸水に必要な空隙が確保できるのであればその混合比は限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】（ａ）本発明の実施例１に係る固体高分子電解質型燃料電池を構成する単位セルを示す断面図である。（ｂ）酸化剤極側ガス拡散層を模式的に示す斜視図である。（ｃ）図１（ｂ）のIｃ部を模式的に示す説明図である。（ｄ）カーボン繊維を模式的に示す説明図である。である。（ｅ）図１（ｄ）のIｅ-Iｅ線に沿って切断した断面図である。
【図２】実施例１に係るカーボン繊維の製造方法を説明する工程図である。
【図３】カーボン繊維の溝を水が伝わる様子を示す説明図である。
【図４】（ａ）本発明の実施例２に係る固体高分子電解質型燃料電池の酸化剤極側ガス拡散層を模式的に示す斜視図である。（ｂ）一溝カーボン繊維を示す説明図である。（ｃ）二溝カーボン繊維を示す説明図である。（ｄ）三溝カーボン繊維を示す説明図である。
【図５】（ａ）本発明の実施例３に係る固体高分子電解質型燃料電池の酸化剤極側ガス拡散層を模式的に示す斜視図である。（ｂ）図５（ａ）のVb部を模式的に示す断面図である。
【図６】（ａ）本発明の実施例４に係る固体高分子電解質型燃料電池を構成する単位セルの構成を示す断面図である。（ｂ）図６（ａ）のVIb部を模式的に示す説明図である。
【図７】（ａ）本発明の実施例５に係る固体高分子電解質型燃料電池の酸化剤極側ガス拡散層中のカーボン繊維を束ねた糸を模式的に示す説明図である。（ｂ）図７（ａ）のVIIb-VIIb線に沿って切断した断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  単位セル
２  固体高分子電解質膜
３  燃料極
４  酸化剤極
５  膜電極接合体
６  燃料極側ガス拡散層  
７  酸化剤極側ガス拡散層
８  燃料極側セパレータ
９  酸化剤極側セパレータ
１０  カーボン繊維
１１  溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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